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专题
2022/1/13 14:11

感知辅助的太赫兹无线通信技术

邮电设计技术  胡田钰,李玲香,陈 智,李少谦

本文版权为《邮电设计技术》所有,如需转载请联系《邮电设计技术》编辑部

摘要:太赫兹无线通信技术因其极高速率与巨大带宽被设想为未来 6G的关键技术。有必要对感知辅助的太赫兹通信展开讨论,以缓解太赫兹频段的高路径损耗和分子吸收问题。首先介绍了频谱态势感知、射频感知和太赫兹通信感知一体化3种感知技术。然后,依照不同用户群体分析了感知辅助下的太赫兹无线通信适用场景及用例。进一步地,从3方面讨论了感知辅助的太赫兹通信关键技术和挑战。最后对未来广域通感融合场景下的太赫兹无线通信技术进行了展望。

关键词:太赫兹通信;频谱态势感知;射频感知;太赫兹通信感知一体化

doi:10.12045/j.issn.1007-3043.2021.12.005

概述

随着智能移动设备的不断普及以及新兴移动宽带应用的快速发展,激增的流量需求与紧缺的频谱资源间的矛盾也变得愈发尖锐。据国际电信联盟的ITU-RM.2370-0报告估计,全球移动用户数量在2030年将达到171亿,而2020年至2030年全球国际移动通信流量将增长10~100倍。这对于仅能实现Gbit/s的5G毫米波数据传输而言,几乎将是极限。此时,具备海量频谱资源的太赫兹(THz)频段(0.1~10THz)跃入了研究人员的视线。不仅国际电信联盟于2019年11月标识了275~450GHz的新增THz频段,而且国内IMT-2030(6G)推进组太赫兹通信任务组也于2021年9月发布了相应研究报告。因此,THz无线通信技术被设想为实现下一代通信系统即6G的关键技术之一。

THz通信具备超大带宽、超高速率、极窄波束等特点,能以极强的方向性和安全性来实现Tbit/s的高速数据传输。因此,THz无线通信技术可以用于如沉浸式全息通信、热点区域通信覆盖、车联网传感数据传输等带宽密集型应用场景。另一方面,得益于远小于厘米波几个数量级的太赫兹波长,THz器件可以实现小型化和便携性。同时,这也使得THz信号具备极高的感知精度和分辨率,且不易受雾、尘或湍流等环境影响。因此,THz无线通信技术还可用于由可穿戴或植入式太赫兹设备构成的纳米健康监测网络,或支持姿态识别、高精度定位等感知业务。

然而,THz通信存在严重的路径损耗,并且衍射能力较弱(即对阻塞敏感),以至于THz通信信道十分稀疏,覆盖范围有限。另外,THz通信还存在着不可忽略的分子吸收现象(尤其是水蒸气吸收),由此产生的额外信号衰减将THz频段分隔为若干传输窗,并且传输窗的带宽和位置变得与传播距离密切相关,图1展示了100GHz~1THz频段的路径损耗。此外,THz通信所使用的极窄定向波束也会进一步加大波束训练和对准的开销,并导致定向组网时难以发现邻居节点,即产生“耳聋效应”。

图1 不同距离下路径损耗随频率的变化情况

由于THz通信存在上述不足之处,能提供物理环境信息和电磁频谱信息的感知技术引发了THz通信研究人员的极大兴趣。也就是说,如果THz通信系统能感知(进而估计)获取到当前环境障碍物分布、用户移动性和频谱使用情况等信息,则能将其应用于波束快速对准和跟踪、通信覆盖范围增强、距离自适应调制和智能定向组网等蜂窝网络服务场景,进而改善上述不足。

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